background image

Communities and Ecosystems 

C H A P T E R  

31 

O U T L I N E  

  31.1  Ecology of Communities 

 

•  Communities are assemblages of interacting populations (species).•552 

 

•  In an ecosystem, species interact with one another and with the physical environment.•552 

 

•  Communities are characterized and compared in terms of species richness and diversity.•553 

 

•  Ecological succession is a change in community composition and diversity over time.•554 

 

•  Interactions between species include competition, predation, parasitism, commensalism, and mutualism.•556 

 

•  An ecological niche is the role a species plays in its community.•556 

 

•  Competition leads to resource partitioning, which reduces competition between species.•557 

 

•  The introduction of exotic species can disrupt ecosystems.•559 

  31.2  Ecology of Ecosystems 

 

•  In an ecosystem, species are categorized by their food source. Autotrophs are producers, and heterotrophs are consumers. •560 

 

•  Ecosystems are characterized by energy flow and chemical cycling among populations.•561 

 

•  Biogeochemical cycles are sedimentary (phosphorus) or gaseous (nitrogen, carbon). Human activity can alter these cycles.•564 

  31.3  Ecology of Major Ecosystems 

 

•  The Earth’s major aquatic ecosystems are of two types: freshwater or saltwater (marine).•568 

 

•  The Earth’s major terrestrial ecosystems are the tundra, the taiga, temperate forests, temperate grasslands, deserts, tropical 

grasslands, and tropical rain forests.•569 

Nitrogen is an essential element for all living things. Unfortunately, the nitrogen gas in the atmosphere is not biologically available to plants 
until it has been “fixed.” This fixing process is part of the nitrogen cycle, and much of the fixing is performed by soil bacteria. Once this 
process is complete, plants can absorb the nitrogen in the form of ammonium and nitrate ions, and other organisms receive this nitrogen 

when they eat plants. Humans fix nitrogen when they make fertilizer, and this provides more than double the amount of nitrogen produced 

by natural nitrogen fixation. While commercial fertilizers benefit agriculture by causing increased growth of crops, they can also have 

negative consequences. When excess water runs off agricultural fields, it carries fertilizer into nearby bodies of water. The nitrogen in the 

fertilizer causes aquatic algae and plants to undergo a huge population increase and then die off. Their subsequent decomposition by 

organisms of decay leads to a lack of oxygen that can cause a major fish kill.  

Excessive use of fertilizer contributes to other ecological problems as well. The nitrates in fertilizer become nitric acid (the primary 

component of acid rain); cause increasing levels of nitrous oxide gas, which produces smog; and lead to the depletion of certain nutrients in 

the soil. The question that arises is: Do the benefits of artificial nitrogen fixation outweigh its risks to the environment? 

In this chapter, you will learn about communities, aquatic and terrestrial ecosystems, and chemical cycling, including the nitrogen cycle. 

31.1   

Ecology of Communities  

community is an assemblage of populations, each a different species, interacting with one another within a single environment. For example, the 

background image

various species living on and within a fallen log, such as plants, fungi, worms, and insects, interact with one another and form a community. The fungi 
break down the log and provide food for the earthworms and insects living in and on the log. Those insects may feed on one another, too. If birds flying 
throughout the forest feed on the insects and worms living in and on the log, they are also part of the larger forest community. 

Communities come in different sizes, and it is sometimes difficult to decide where one community ends and another one begins. The relationships 

and interactions between species in a community form over time. Some of the relationships between species are products of coevolution, by which an 
evolutionary change in one species results in an evolutionary change in another. As discussed on page 558, flowering plants and their pollinators are 
co-adapted (Fig. 31.1). A striking example is the flower of the Australian orchid, Chiloglottis trapeziformis. This flower resembles the body of a wasp, 
and its odor mimics the pheromones of a female wasp. Therefore, male wasps are attracted to the flower, and when they attempt to mate with it, they 
become covered with pollen, which they transfer to the next orchid flower (Fig. 31.1b). The orchid is dependent upon wasps for pollination because 
neither wind nor other insects pollinate these flowers. 

All species in a community possess adaptations suitable to the conditions of the particular physical environment. An  ecosystem consists of 

these species interacting with each other and with the physical environment. If the physical environment of an ecosystem changes, corresponding 
changes will most likely occur in the species comprising the community and in the relationships between these species. Extinc tion of species can 
occur when environmental change is too rapid for suitable adaptations to evolve.  

Rapid environmental changes can be detrimental to humans too, even though technology increases our ability to adapt. Sometimes the economy 

of an area is dependent upon the climate and, in some cases, the species composition, of an aquatic or terrestrial ecosystem. Therefore, human activities 
that negatively impact the community of the area can also negatively affect the economy of that area. Knowledge of community and ecosystem ecology 
will help you better understand how human activities resulting in, say, climate change can in the end be detrimental to ourselves. 

Community Composition and Diversity 

Two  characteristics  of  communities—species  composition  and  diversity—allow  us  to  compare  communities.  The  species  composition  of  a 
community, also known as species richness, is simply a listing of the various species found in that community. The diversity includes both species 
richness and species evenness, or the relative abundance of individuals of different species. 

Species Composition 

It is apparent by comparing the photographs in Figure 31.2 that a coniferous forest has a different species composition than a tropical rain forest. 
Narrow-leaved evergreen tree species are prominent in the coniferous forest, whereas broad-leaved evergreen tree species are numerous in the tropical 
rain forest. As the list of mammals demonstrates, a coniferous community and a tropical rain forest community contain different types of mammals. 
Ecologists comparing these two communities would go on to find differences in other plants and animals too. In the end, ecologists would conclude that 
not only are the species compositions of these two communities different, but the tropical rain forest has more species and therefore higher species 
richness. 

Diversity 

The diversity of a community goes beyond species richness to include abundance, the number of individuals of each species per unit area. For example, 
suppose a deciduous forest in West Virginia has, among individuals of other species, 76 yellow poplar trees but only one American elm. If you were 
simply walking through this forest, you might miss the lone American elm. If, instead, the forest had 36 yellow poplar trees and 41 American elm trees, 
the forest would seem more diverse to you, and indeed would have a higher diversity value. The greater the species richness and the more even the 
distribution of the species in the community, the greater the diversity. 

Ecological Succession 

Community species composition and diversity do change over time, although they may seem to remain static because it can take decades—even longer 
than the human life span—for noticeable changes to occur. Natural forces, such as glaciers, volcanic eruptions, lightning-ignited forest fires, hurricanes, 
tornadoes,  and  floods,  bring  about  community  changes.  Communities  also  change  because  of  human  activities,  such  as  logging,  road  building, 
sedimentation, and farming. A more or less orderly process of community change is known as ecological succession. 

Ecologists have developed models to explain why succession occurs and to predict patterns of succession following a natural or human-made 

disturbance. The climax-pattern model says that the climate of an area always leads to the same stable climax community, a specific assemblage of 
bacterial, fungal, plant, and animal species (Fig. 31.3). For example, a coniferous forest community is expected in northern latitudes, a deciduous forest 
in temperate zones, and a tropical forest in areas with a tropical climate. Now that we know that disturbances influence community composition and 
diversity, and that despite the climate, the composition of a community is not always the same, the climax model of succession is being modified. 

Two Types of Succession 

Ecologists define two types of ecological succession: primary and secondary  (Fig. 31.4). Primary succession occurs where soil has not yet formed. For 
example, hardened lava flows or the scraped bedrock that remains following a glacial retreat are subject to primary succession. Secondary succession 

background image

begins,  for  example,  in  a  cultivated  field  that  is  no  longer  farmed,  where  soil  is  already  present.  With  both  primary  and  secondary  succession,  a 
progression  of  species  occurs  over  time  as  first  spores  of  fungi  and  then  seeds  of  nonvascular  plants,  followed  by  seeds  of  gymnosperms  and/or 
angiosperms, are carried into the area by wind, water, or animals from the surrounding regions (Figs. 31.4 and 31.5). 

The first species to appear in an area undergoing either primary or secondary succession are called opportunistic pioneer species. These species 

are small in stature, short-lived, quick to mature, and they produce numerous offspring per reproductive event. The first pioneer species to arrive are 
photosynthetic organisms such as lichens and mosses. The fungal partners of lichens play a critical role by breaking down rock or lava into usable 
mineral nutrition, not only for their algal partners but also for pioneer plants. The mycorrhizal fungal partners of plants (see Fig. 18.26) pass minerals 
directly to plants so that they can grow successfully in poor soil. Pioneer plant species that become established in an area are accompanied by pioneer 
herbivore species (e.g., insects) and then carnivore species (e.g., small mammals). As the community continues to change, equilibrium species become 
established in the area. Equilibrium species, such as deer, wolves, and bears, are larger in size, long-lived, and slow to mature, and they produce few 
offspring per reproductive event. 

Interactions in Communities 

Species interactions, especially competition for resources, fashion a community into a dynamic system of interspecies relationships. In Table 31.1, the 
plus and minus signs tell how the relationship affects the abundance of the two interacting species.  Competition between two species for limited 
resources has a negative effect on the abundance of both species. In predation, one animal, the predator, feeds on another, the prey; in parasitism, one 
species obtains nutrients from another species, called the host, but does not kill the host. Commensalism is a relationship in which one species benefits 
while the second species is not harmed. Commensalism often occurs when one species provides a home or transportation for another. In mutualism, 
two species interact in a way that benefits both of them. 

Ecological Niche 

Each species occupies a particular position in the community, both in a spatial and a functional sense. Spatially, species live in a particular area of the 
community,  or  habitat,  such  as  underground,  in  the  trees,  or  in  shallow  water.  Functionally,  each  species  plays  a  role,  such  as  whether  it  is  a 
photosynthesizer, predator, prey, or parasite. The ecological niche of a species incorporates the role the species plays in its community, its habitat, and 
its interactions with other species. The niche includes the living and nonliving resources that individuals in the population need to meet their energy, 
nutrient, and survival demands. The habitat of an insect, called a backswimmer, is a pond or lake, where it eats other insects (Fig. 31.6). The pond or lake 
must contain vegetation where the backswimmer can hide from its predators, including fish and birds. The pond water must be clear enough for the 
backswimmer to see its prey and warm enough for it to maintain a good metabolic rate. Since it is difficult to describe and measure the total niche of a 
species in a community, ecologists often focus on a certain aspect of a species’ niche, as with the birds featured in Figure 31.7. 

Competition 

Competition for resources such as light, space, or nutrients contributes to the niche of each species and helps structure the community. Laboratory 
experiments helped ecologists formulate the competitive exclusion principle, which states that no two species can occupy the same niche at the same 
time. In the 1930s, G. F. Gause grew two species of Paramecium in one test tube containing a fixed amount of bacterial food. Although populations of 
each species survived when grown in separate test tubes, only one species, Paramecium aurelia, survived when the two species were grown together 
(Fig. 31.8). P. aurelia acquired more of the food resource and had a higher population growth rate than did P. caudatum. Eventually, as the P. aurelia 
population  grew  and obtained  an  increasingly  greater proportion  of  the  food resource,  the  number of  P.  caudatum  individuals decreased,  and  the 
population died out. 

Niche Specialization•Competition for resources does not always lead to localized extinction of a species. Multiple species coexist in communities by 
partitioning, or sharing, resources. In another laboratory experiment using other species of Paramecium, Gause found that the two species could survive 
in  the  same  test  tube  if one  species  consumed  bacteria  at  the  bottom  of  the  tube  and the  other  ate  bacteria  suspended  in  solution.  This  resource 
partitioning
 decreased competition between the two species, leading to increased niche specialization. What could have been one niche became two 
more specialized niches due to species differences in feeding behavior. 

When three species of ground finches of the Galápagos Islands live on the same islands, their beak sizes differ, and each feeds on a different-sized 

seed (Fig. 31.9). When the finches live on separate islands, their beaks tend to be the same intermediate size, enabling each to feed on a wider range of 
seeds. Such so-called character displacement often is viewed as evidence that competition and resource partitioning have taken place. 

The niche specialization that permits coexistence of multiple species can be very subtle. Species of warblers that occur in North American forests 

are all about the same size, and all feed on budworms, a type of caterpillar found on spruce trees. Robert MacArthur recorded the length of time each 
warbler species spent in different regions of spruce canopies to determine where each species did most of its feeding. He discovered that each species 
primarily used different parts of the tree canopy and, in that way, had a more specialized niche. As another example, consider that three types of 
birds—swallows, swifts, and martins—all eat flying insects and parachuting spiders. These birds even frequently fly in mixed flocks. But each type of 
bird has a different nesting site and migrates at a slightly different time of year. 

background image

Mutualism 

Mutualism, a symbiotic relationship in which both members benefit, is now recognized to be at least as important as competition in shaping community 
structure. The relationship between plants and their pollinators mentioned previously is a good example of mutualism. Perhaps the relationship began 
when herbivores feasted on pollen. The provision of nectar by the plant may have spared the pollen, and at the same time allowed the animal to become 
an agent of pollination. By now, pollinator mouthparts are adapted to gathering the nectar of a particular plant species, and this species is dependent on 
the pollinator for dispersing pollen. As also mentioned previously, lichens can grow on rocks because the fungal member leaches minerals that are 
provided to the algal partner. The algal partner, in turn, photosynthesizes and provides organic food for both members of the relationship.  

In tropical America, ants form mutualistic relationships with certain plants. The bullhorn acacia tree is adapted to provide a home for ants of the 

species Pseudomyrmex ferruginea (Fig. 31.10). Unlike other acacias, this species has swollen thorns with a hollow interior where ant larvae can 
grow and develop. In addition to housing the ants, acacias provide them with food. The ants feed from nectaries at the base o f the leaves and eat 
fat- and protein-containing nodules called Beltian bodies, which are found at the tips of the leaves. For 24 hours a day, ants constantly protect the tree 
from herbivores that would like to feed on it. The ants are so critical to the trees’ survival that when the ants on experimental trees were poisoned, the 
trees died.  

The outcome of mutualism is an intricate web of species interpendencies critical to the community. For example, in areas of the western United 

States, the branches and cones of whitebark pine are turned upward, meaning that the seeds do not fall to the ground when the cones open. Birds called 
Clark’s nutcrackers eat the seeds of whitebark pine trees and store them in the ground (Fig. 31.11). Therefore, Clark’s nutcrackers are critical seed 
dispersers for the trees. Also, grizzly bears find the stored seeds and consume them. Whitebark pine seeds do not germinate unless their seed coats are 
exposed to fire. When natural forest fires in the area are suppressed, whitebark pine trees decline in number, and so do Clark’s nutcrackers and grizzly 
bears. When lightning-ignited fires are allowed to burn, or prescribed burning is used in the area, the whitebark pine populations increase, as do the 
populations of Clark’s nutcrackers and grizzly bears. 

Community Stability

 

As  witnessed  by  our  discussion  of  succession,  community  stability  is  fragile.  However,  some  communities  have  one  species  that  stabilizes  the 
community, helps maintain its characteristics, and essentially helps hold its web of interactions together. Such a species is known as a keystone species, 
or species on which the existence of a large number of other species in the ecosystem depends. The term ―keystone‖ comes from the name for the center 
stone of an arch that holds the other stones in place so that the arch can keep its shape.  

Keystone species are not always the most numerous in the community. Howev-er, the extinction of a keystone species can lead to other species 

extinctions and a loss of diversity. For example, bats are designated as keystone species in tropical forests. Bats are pollinators and also disperse the 
seeds of certain tropical trees. When bats are killed off or their roosts destroyed, these trees fail to reproduce. The grizzly bear is a keystone species in the 
northwestern United States and Canada. Grizzly bears disperse as many as 7,000 berry seeds in one dung pile. Grizzlies also kill the young of many 
herbivorous mammals, such as deer, and thereby keep their populations under control. 

The sea otter is a keystone species of a kelp forest ecosystem. Kelp forests, created by large brown seaweeds, provide a home for a vast assortment 

of organisms. The kelp forests occur just off the coast and protect coastline ecosystems from damaging wave action. Among other species, sea otters eat 
sea urchins, keeping their population size in check. Otherwise, sea urchins feed on the kelp, causing the kelp forest and its associated species to severely 
decline. Fishermen don’t like sea otters because they also prey on abalone, a mollusc prized for its commercial value. They do not realize that without 
the otters, abalone and many other species would not be around because their natural habitat, a kelp forest, would no longer exist.  

Native Versus Exotic Species 

Native  species  are  species  indigenous  to an area. They colonize an  area  without intentional  or accidental  human assistance. For  example,  you 
naturally find maple trees in Vermont and many other states of the eastern United States. The introduction of exotic species, or nonnative species, 
into a community greatly disrupts normal interactions, and therefore a community’s web of species.  Populations of exotic species tend to grow 
exponentially because they are better competitors, or because their numbers are not controlled by predators or disease. The unique assemblage of 
native species on an island often cannot compete well against an exotic species. For example, myrtle trees, introduced into the Hawaiian Islands from 
the Canary Islands, are mutualistic with a type of bacterium capable of fixing atmospheric nitrogen. The bacterium provides the plant with a form of 
nitrogen it can utilize. This feature allows myrtle trees to become established on nitrogen-poor volcanic soil, a distinct advantage in Hawaii. Once 
established, myrtle trees halt the normal succession of native plants on volcanic soil. 

Exotic species disrupt communities in continental areas as well. The red fox was deliberately imported into Australia to prey on the previously 

introduced European rabbit, but instead, the red fox has now reduced the populations of native small mammals (Fig. 31.12a). The brown tree snake was 
introduced onto a number of islands in the Pacific Ocean (Fig. 31.12b). The brown tree snake eats eggs, nestlings, and adult birds. On Guam, it has reduced 
ten native bird species to the point of extinction. On the Galápagos Islands, black rats accidentally carried to the islands by ships have reduced populations 
of the giant tortoise. Goats and feral pigs have changed the vegetation on the islands from highland forest to pampas-like grasslands and destroyed stands of 
cactus. In the United States, gypsy moths, zebra mussels, the Chestnut blight fungus, fire ants, and African bees are well-known exotic species that have 
killed native species. At least two species, fire ants and African bees, have attacked humans with serious consequences.  

background image

31.2   

Ecology of Ecosystems  

An ecosystem is more inclusive than a community because when studying a community, we only consider how species interact with one another. When 
studying an ecosystem, we also consider interactions with the physical environment. For example, one important aspect of ecological niche is how an 
organism acquires food. It is obvious that autotrophs interact with the physical environment but so do heterotrophs. 

Autotrophs 

Autotrophs take in only inorganic nutrients (e.g., CO

2

 and minerals) and an outside energy source to produce organic nutrients for their own use 

and  for  all  the  other  members  of  a  community.  They  are  called  producers  because  they  produce  food.  Photoautotrophs,  often  called 
photosynthetic organisms, produce most of the organic nutrients for the biosphere (Fig. 31.13). Algae of all types possess ch lorophyll and carry on 
photosynthesis in freshwater and marine habitats. Algae make up the phytoplankton, which are photosynthesizing -organisms suspended in water. 
Green plants are the dominant photosynthesizers on land. All photosynthesizing organisms release O

2

 to the atmosphere. 

Some bacteria are chemoautotrophs. They obtain energy by oxidizing inorganic compounds such as ammonia, nitrites, and sulfides, and they use 

this energy to synthesize organic compounds. Chemo-autotrophs have been found to support communities in some caves and also at hydrothermal vents 
along deep-sea oceanic ridges. 

Heterotrophs 

Heterotrophs need a source of preformed organic nutrients, and they release CO

2

 to the atmosphere. They are called consumers because they consume food. 

Herbivores are animals that graze directly on -algae or plants (Fig. 31.14a). In aquatic habitats, zooplankton, such as protozoans, are herbivores; in terrestrial 
habitats, insects, including caterpillars, play that role. Among larger herbivores, giraffes browse on trees. Carnivores eat other animals; for example, a 
praying mantis catches and eats caterpillars, and an osprey preys on and eats fish (Fig. 31.14b). These examples illustrate  that there are primary consumers 
(e.g., giraffes), secondary consumers (e.g., praying mantis), and tertiary consumers (e.g., osprey). Sometimes tertiary consumers are called top predators. 
Omnivores are animals that eat both plants and animals. As you likely know, most humans are omnivores. 

The decomposers are heterotrophic bacteria and fungi, such as molds and mushrooms, that break down dead -organic matter, including animal 

wastes (Fig. 31.15). They perform a very valuable service because they release inorganic nutrients (CO

2

 and minerals) that are then taken up by plants once 

more. Otherwise, plants would have to wait for minerals to be released from rocks. Detritus is composed of the remains of dead organisms plus the bacteria 
and fungi of decay. Fanworms feed on detritus floating in marine waters, while clams take detritus from the sea bottom. Earthworms and some beetles, 
termites, and maggots are soil detritus feeders. 

Energy Flow and Chemical Cycling 

The living components of ecosystems process energy and chemicals. Energy flow through an ecosystem begins when producers absorb solar energy, 
and chemical cycling begins when producers take in inorganic nutrients from the physical environment (Fig. 31.16). Thereafter, via photosynthesis, 
producers convert the solar energy and inorganic nutrients into chemical energy in the form of organic nutrients, such as carbohydrates. Producers 
synthesize  organic  nutrients  directly  for  themselves  and  indirectly  for  the  heterotrophic  components  of  the  ecosystem.  Energy  flows  through  an 
ecosystem because as organic nutrients pass from one component of the ecosystem to another, as when a herbivore eats a plant or a carnivore eats a 
herbivore,  a  portion  is  used  as  an  energy  source.  Eventually,  the  energy  dissipates  into  the  environment  as  heat.  Therefore,  the  vast  majority  of 
ecosystems cannot exist without a continual supply of solar energy.  

Only a portion of the organic nutrients made by producers is passed on to consumers because plants use organic molecules to fuel their own 

cellular respiration. Similarly, only a small percentage of nutrients consumed by lower-level consumers, such as herbivores, is available to higher-level 
consumers, or carnivores. As Figure 31.17 demonstrates, a certain amount of the food eaten by a herbivore is never digested and is eliminated as feces. 
Metabolic wastes are excreted as urine. Of the assimilated energy, a large portion is utilized during cellular respiration for the production of ATP and 
thereafter becomes heat. Only the remaining energy, which is converted into increased body weight or additional offspring, becomes available to 
carnivores. 

The elimination of feces and urine by a heterotroph, and indeed the death of all organisms, does not mean that organic nutrients are lost to an 

ecosystem.  Instead,  they  represent  the  organic  nutrients  made  available  to  decomposers.  Decomposers  convert  the  organic  nutrients  back  into 
inorganic chemicals and release them to the soil or atmosphere. Chemicals complete their cycle within an ecosystem when inorganic chemicals are 
absorbed by the producers from the atmosphere or from soil. 

Energy Flow 

Applying the principles discussed so far to a temperate deciduous forest, ecologists can draw a food web to represent the interconnecting paths of 
energy flow between the component species of the ecosystem. In Figure 31.18, the green arrows are part of a grazing food web because the web begins 

background image

with plants, such as the oak trees depicted. A detrital food web (brown arrows) begins with bacteria and fungi. In the grazing food web, caterpillars and 
other herbivorous insects feed on the leaves of the trees, while other herbivores, including mice, rabbits, and deer, feed on leaves at or near the ground. 
Birds, chipmunks, and mice feed on fruits and nuts of the trees, but they are in fact omnivores because they also feed on caterpillars and other insects. 
These  herbivores  and  omnivores  all  provide  food  for  a  number  of  different  carnivores.  In  the  detrital  food  web,  detritus,  which  includes  smaller 
decomposers such as bacteria and fungi, is food for larger organisms. Because some of these organisms, such as shrews and salamanders, become food 
for aboveground animals, the detrital and the grazing food webs are joined. 

We tend to think that the aboveground parts of trees are the largest storage form of organic matter and energy, but this is not necessarily the case. 

In temperate deciduous forests, the organic matter lying on the forest floor and mixed into the soil, along with the belowground roots of the trees, 
contains over twice the energy of the leaves, branches, and trunks of living trees combined. Therefore, more energy and matter in a forest may be stored 
in or funneled through the detrital food web than the grazing food web. 

Trophic Levels and Ecological Pyramids•The arrangement of component species in Figure 31.19 suggests that organisms are linked to one another in 
a straight line according to feeding relationships, or who eats whom. Diagrams that show a single path of energy flow in an ecosystem are called food 
chains
 (Fig. 31.19). A trophic level is a level of nourishment within a food web or chain. In the grazing food web (see Fig. 31.18), going from left to 
right: The trees are producers (the first trophic level), the first series of animals are herbivores (the second trophic level), and many of the animals in 
the next series are carnivores (the third and possibly fourth trophic levels). Food chains are short because energy is lost between trophic levels. In 
general, only about 10% of the energy of one trophic level is available to the next trophic level. Therefore, if an herbivore population consumes 1,000 
kg of plant material, only about 100 kg is converted to herbivore tissue, -10 kg to first-level carnivores, and 1 kg to second-level carnivores. The so-called 
10% rule of thumb explains why few carnivores can be supported in a food web. The flow of energy with large losses between successive trophic 
levels is sometimes depicted as an ecological pyramid (Fig. 31.20). 

A pyramid based on the number of organisms can run into problems because, for example, one tree can support many herbivores. Pyramids of 

biomass, which is the number of organisms multiplied by their weight, eliminate size as a factor. Even then, apparent inconsistencies can arise. In 
aquatic ecosystems, such as lakes and open seas where algae are the only producers, the herbivores at some point in time may have a greater biomass 
than the producers. Why? Because even though the algae reproduce rapidly, they are also consumed at a high rate. 

Chemical Cycling 

The pathways by which chemicals cycle within ecosystems involve both living (producers, consumers, decomposers) and nonliving (rock, inorganic 
nutrients, atmosphere) components, and therefore are known as biogeochemical cycles. Biogeochemical cycles can be sedimentary or gaseous. In a 
sedimentary cycle, such as the phosphorus cycle, the chemical is absorbed from the sediment by plant roots, passed to heterotrophs, and eventually 
returned to the soil by decomposers, usually in the same general area. In a gaseous cycle, such as the nitrogen and carbon cycles, the element returns to 
and is withdrawn from the atmosphere as a gas. 

Chemical cycling of an element may involve reservoirs and exchange pools as well as the biotic community (Fig. 31.21). A reservoir is a source 

normally unavailable to organisms. For example, much carbon is found in calcium carbonate shells in ocean bottom sediments. An exchange pool is a 
source from which organisms generally take elements. For example, photosynthesizers can utilize carbon dioxide in the atmosphere for their carbon 
needs. The biotic community consists of the autotrophic and heterotrophic species of an ecosystem that feed on one another. Human activities, such as 
mining or burning fossil fuels, increase the amounts of chemical elements removed from reservoirs and cycling within ecosystems. As a result, the 
physical environment of the ecosystem contains excess chemicals that, in turn, can alter the species composition and diversity of the biotic community. 

Phosphorus Cycle 

On land, the very slow weathering of rocks fostered by fungi adds phosphates (PO

4

32

 and HPO

4

22

) to the soil, some of which become available to 

terrestrial plants for uptake (Fig. 31.22). Phosphates made available by weathering also run off into aquatic ecosystems, where algae absorb phosphates 
from the water before they become trapped in sediments. Phosphates in sediments become available again only when a geological upheaval exposes 
sedimentary rocks to weathering once more. 

Producers use phosphates in a variety of molecules, including phospholipids, ATP, and the nucleotides that become a part of DNA and RNA. 

Animals consume producers and incorporate some of the phosphates into teeth, bones, and shells that take many years to decompose. Decomposition of 
dead plant and animal material and animal wastes does, however, make phosphates available to producers at a faster rate than weathering. Because 
much of the available phosphates are utilized within food chains, phosphate is usually a limiting inorganic nutrient for ecosystems. In other words, the 
limited supply of phosphates limit plant growth, and therefore primary productivity.  

The importance of phosphates and calcium to population growth is demonstrated by considering the fate of lemmings every four  years (Fig. 

31.23). You may have heard that lemmings dash mindlessly over cliffs into the sea; ecologists tell us that actually these lemmings are migrating to find 
food. What happened? Every four years or so, grasses and sedges of the tundra (see Fig. 31.28) become rich in minerals, and the lemming population 
starts to explode. Once the lemmings number in the millions, the grasses and sedges of the tundra suffer a decline caused by a lack of minerals. Now the 
lemming population suffers a crash, but it takes about four years before the animals decompose in this cold region and minerals return to the producers. 
Then the cycle begins again. 

background image

Human Activities•A transfer rate is defined as the amount of a nutrient that moves from one component of the environment to another within a 
specified period of time. Human activities alter the dynamics of a community by changing transfer rates. For example, humans mine phosphate ores and 
use them to make fertilizers, animal feed supplements, and detergents. Phosphate ores are slightly radioactive, and therefore mining phosphate poses a 
health threat to all organisms, including the miners. Animal wastes from livestock feedlots, fertilizers from lawns and cropland, and untreated and 
treated sewage discharged from cities all add excess phosphates to nearby waters. The result is eutrophication, or overenrichment, of a body of water, 
which causes an algal overpopulation called an algal bloom. When the algae die and decay, oxygen is consumed, causing fish kills. In the mid-1970s, 
Lake Erie was dying because of eutrophication. Control of nutrient phosphates, particularly in sewage effluent and household detergents, reversed the 
situation. 

Nitrogen Cycle 

Nitrogen, in the form of nitrogen gas (N

2

), comprises about 78% of the atmosphere by volume. But plants cannot make use of nitrogen gas. Instead, 

plants rely on various types of bacteria to make nitrogen available to them. Therefore, nitrogen, like phosphorus, is also a limiting inorganic nutrient of 
producers in ecosystems. 

Plants can take up both ammonium (NH

4

1

) and nitrate (NO

3

2

) from the soil and incorporate the nitrogen into amino acids and nucleic acids. Two 

processes, nitrogen fixation and nitrification, convert nitrogen gas, N

2

, into NH

4

1

 and NO

3

2

, respectively (Fig. 31.24). Nitrogen fixation occurs when 

nitrogen gas is converted to ammonium. Some cyanobacteria in aquatic ecosystems and some free-living, nitrogen-fixing bacteria in soil are able to fix 
nitrogen in this way. Other nitrogen-fixing bacteria live in nodules on the roots of legumes, plants such as peas, beans, and alfalfa. They make organic 
compounds containing nitrogen available to the host plant.  

Nitrification is the production of nitrates. Ammonium in the soil is converted to nitrate by certain nitrifying soil bacteria in a two-step process. 

(First, 

nitrite-producing 

bacteria 

convert 

ammonium 

to 

nitrite 

(NO

2

2

), 

and 

then 

nitrate- 

producing bacteria convert nitrite to nitrate.) In Figure 31.24, notice that the biotic community subcycle in the nitrogen cycle does not depend on the 
presence of nitrogen gas. 

Denitrification is the conversion of nitrate to nitrogen gas, which enters the atmosphere. Denitrifying bacteria are chemoautotrophs living in the 

anaerobic  mud  of  lakes,  bogs,  and  estuaries  that  carry  out  this  process  as  a  part  of  their  own  metabolism.  In  the  nitrogen  cycle,  denitrification 
counterbalanced nitrogen fixation until humans started making fertilizer.  

Human Activities•Human activities significantly alter the transfer rates in the nitrogen cycle by producing fertilizers from N

2

—in fact, humans nearly 

double the fixation rate. Unfortunately, industrial nitrogen fixation requires tremendous heat and pressure, usually produced by burning great quantities 
of fossil fuels, with accompanying air pollution. The nitrate in fertilizers, just like phosphate, can leach out of agricultural soils into surface waters, 
leading to eutrophication. Deforestation by humans also causes a  loss of nitrogen to groundwater and makes regrowth of the  forest difficult. The 
underground water supplies in farming areas today are apt to contain excess nitrate. Infants below the age of six months who drink water containing 
excessive amounts of nitrate can become seriously ill and, if untreated, may die.  

To cut back on fertilizer use, it might be possible to genetically engineer soil bacteria with increased nitrogen fixation rates. Also, farmers 

could grow legumes that increase the nitrogen content of soil (Fig. 31.25). In one study, the rotation of legumes and winter wheat produced a better 
yield than fertilizers after several years.  

Carbon Cycle 

In the carbon cycle, organisms in both terrestrial and aquatic ecosystems exchange carbon dioxide with the atmosphere (Fig. 31.26). On land, plants take 
up carbon dioxide from the air, and through photosynthesis, they incorporate carbon into organic nutrients that are used by autotrophs and heterotrophs 
alike. When aerobic organisms respire, a portion of this carbon is returned to the atmosphere as carbon dioxide, a waste product of cellular respiration. 

In aquatic ecosystems, the exchange of carbon dioxide with the atmosphere is indirect. Carbon dioxide from the air combines with water to 

produce  bicarbonate  ion  (HCO

3

2

),  a  source  of  carbon  for  algae  that  produce  food  for  themselves  and  for  heterotrophs.  Similarly,  when  aquatic 

organisms respire, the carbon dioxide they give off becomes bicarbonate ion. The amount of bicarbonate in the water is in equilibrium with the amount 
of carbon dioxide in the air. 

Living and dead organisms contain organic carbon  and serve as one of the reservoirs for the carbon cycle. The world’s biotic components, 

particularly trees, contain billions of tons of organic carbon, and additional tons are estimated to be held in the remains of plants and animals in the 
soil. If dead plant and animal remains fail to decompose, they are subjected to extremely slow physical processes that transform them into coal, oil, 
and natural gas, the fossil fuels. Most of the fossil fuels were formed during the Carboniferous period, 286–360 

MYA

, when an exceptionally large 

amount of organic matter was buried before decomposing. Another reservoir is the  calcium carbonate (CaCO

3

) that accumulates in limestone and in 

shells. Many marine organisms have calcium carbonate shells that remain in bottom sediments long after the organisms have died. Geological forces 
change these sediments into limestone. 

Human  Activities•The transfer rates of carbon dioxide due  to photosynthesis and cellular respiration are just about even. However, more carbon 
dioxide is being deposited in the atmosphere than is being removed. This increase is largely due to the burning of fossil fuels and the destruction of 
forests to make way for farmland and pasture. When we do away with forests, excess carbon dioxide enters the atmosphere. But only about half of this 

background image

excess CO

2

 remains in the atmosphere; it is believed that the rest is dissolved in the ocean. 

The increased amount of carbon dioxide (and other gases) in the atmosphere is causing a rise in temperature called global warming. These gases 

allow the sun’s rays to pass through, but they absorb and reradiate heat back to the Earth, a phenomenon called the greenhouse effect. Scientists predict 
that if the ice at the poles melts and sea levels rise as a result, many of the world’s most populous cities will be flooded. Furthermore, weather pattern 
changes might cause the American Midwest to become a dust bowl.  

31.3   

Ecology of Major Ecosystems 

The biosphere, which encompasses all the ecosystems on planet Earth, is the final level of biological organization. Aquatic ecosystems are divided 
into those composed of fresh water and those composed of salt water (marine ecosystems) (Fig. 31.27). The ocean is a marine ecosystem that covers 
70% of the Earth’s surface. Two types of freshwater ecosystems are those with standing water, such as lakes and ponds, and those with running water, 
such as rivers and streams. The richest marine ecosystems lie near the coasts. Coral reefs are located offshore, while marshes occur where rivers meet 
the sea. 

Scientists recognize several distinctive major types of terrestrial ecosystems, also called biomes (Fig. 31.28). Temperature and rainfall define the 

biomes,  which  contain  communities  adapted  to  the  regional  climate.  The  tropical  rain  forests,  which  occur  at  the  equator,  have  a  high  average 
temperature and the greatest amount of rainfall of all the biomes. They are dominated by large evergreen, broad-leaved trees. The savanna is a tropical 
grassland with alternating wet and dry seasons. Temperate grasslands receive less rainfall than temperate forests (in which trees lose their leaves during 
the winter) and more water than deserts, which lack trees. The taiga is a very cold northern coniferous forest, and the tundra, which borders the North 
Pole, is also very cold, with long winters and a short growing season. A permafrost persists even during the summer in the tundra and prevents large 
plants from becoming established. 

Primary Productivity 

One way to compare ecosystems is based on primary productivity, the rate at which producers capture and store energy as organic nutrients over a 
certain length of time. Temperature and moisture, and secondarily the nature of the soil, influence the primary productivity and, as already discussed, the 
assemblage of species in an ecosystem. In terrestrial ecosystems, primary productivity is generally lowest in high-latitude tundras and deserts, and 
highest at the equator where tropical forests occur (Fig. 31.29). The high productivity of tropical rain forests provides varied niches and much food for 
consumers.  The  number  and  diversity  of  species  in  tropical  rain  forests  are  the  highest  of  all  the  terrestrial  ecosystems.  Therefore,  conservation 
biologists are interested in preserving as much of this biome as possible. 

The primary productivity of aquatic communities is largely dependent on the availability of inorganic nutrients. Estuaries, swamps, and marshes 

are rich in organic nutrients and in decomposers that convert those organic nutrients into their inorganic chemical components. Estuaries, swamps, and 
marshes also contain a large number of varied species, particularly in the early stages of their development before they venture forth into the sea. 
Therefore, all of these coastal regions are in great need of preservation. The open ocean has a productivity somewhere between that of a desert and the 
tundra because it lacks a concentrated supply of inorganic nutrients. Coral reefs exist near the coasts in warm tropical waters where currents and waves 
bring nutrients and where sunlight penetrates to the ocean floor. Coral reefs are areas of remarkable biological abundance, equivalent to that of tropical 
rain forests. 

T H E   C H A P T E R   I N   R E V I E W  

Summary 

31.1    Ecology of Communities 

Knowledge of community and ecosystem ecology is important for understanding the impacts of human alterations to the environment. 

Community•A community is an assemblage of the populations of different species interacting with each other in a given area.  

Ecosystem•An ecosystem consists of species interacting with one another and with the physical environment.  

Ecological Succession  

bare rock

lichens/mosses

grasses

shrubs

trees

 

The two types of ecological succession are primary succession (begins on bare rock) and secondary succession (following a disturbance; begins where 
soil is present). Ecological succession leads to a stable climax community. 

Interactions in Communities 

Species in communities interact with one another in the following ways:  

background image

 

•  Competition•Species vie with one another for resources, such as light, space, and nutrients. Aspects of competition are the competitive exclusion 

principle, resource partitioning, and character displacement. 

 

•  Predation•One species (predator) eats another species (prey).  

 

•  Parasitism•One species (parasite) obtains nutrients from another species (host) but does not kill the host species.  

 

•  Commensalism•One species benefits from the relationship, while the other species is not harmed. 

 

•  Mutualism•Two species interact in a way that benefits both. 

Ecological Niche•The ecological niche of a species is defined by the role it plays in its community, the habitat, and its interactions with other species. 

Keystone Species•The interactions of a keystone species in the community hold the community and its species together. Removal of a keystone 
species can lead to species extinctions and loss of diversity. An example of a keystone species is the grizzly bear. 

Native Versus Exotic Species•Native species are indigenous to a given area and thrive without assistance. Exotic species are introduced into an area, 
and greatly disrupt the balance and interactions between native species in that area’s community.  

31.2    Ecology of Ecosystems 

In the food chain of an ecosystem, some populations are autotrophs and some are heterotrophs. 

Autotrophs are the producers. They require only inorganic nutrients (e.g., CO

2

 and minerals) and an outside energy source to produce organic nutrients for their own use 

and for the use of other members of the community. Examples of autotrophs are algae, cyanobacteria, and plants. 

Heterotrophs are the consumers. They require a preformed source of organic nutrients and give off CO

2

. Examples of consumers are herbivores (feed on plants), 

carnivores (feed on other animals), and omnivores (feed on both plants and animals). Other heterotrophs are the decomposers (the bacteria and fungi of decay). 

Energy Flow and Chemical Cycling 

Energy flows through an ecosystem, while chemicals cycle within an ecosystem. 

Food Webs and Food Chains•Energy flows in an ecosystem through food chains and detrital and grazing food webs. 

Trophic Level•A trophic level is a level of nourishment in a food web or chain.  

Ecological Pyramid•An ecological pyramid illustrates the energy losses that occur between trophic levels.  

 

•  Only about 10% of the energy of one trophic level is available to the next trophic level. 

 

•  Top carnivores occupy the last and smallest trophic level. 

Biogeochemical Cycle•Chemicals cycle within an ecosystem through various biogeochemical cycles, such as the phosphorus cycle, the nitrogen 
cycle, and the carbon cycle. Human activities significantly alter the transfer rates in these cycles.

 

31.3    Ecology of Major Ecosystems 

The biosphere encompasses all the major ecosystems of the Earth. 

Aquatic Ecosystems 

Aquatic ecosystems are classified as freshwater ecosystems (rivers, streams, lakes, ponds) and saltwater, or marine, ecosystems (oceans, coral reefs, 
saltwater marshes).  

Terrestrial Ecosystems 

The terrestrial ecosystems are called biomes. The major biomes are: 

 

•  Tundra 

 

•  Taiga 

 

•  Temperate forests 

 

•  Tropical grasslands (savanna) 

 

•  Temperate grasslands (prairie) 

 

•  Deserts 

 

•  Tropical rain forests 

Primary Productivity 

 

Primary productivity is the rate at which producers capture solar energy and convert it to chemical energy over a specified length of time. The number of 
species in an ecosystem is positively related to its primary productivity. 

Thinking Scientifically 

  1.  One of the most striking examples of coevolution is between insects and flowers. The earliest angiosperms produced wind-pollinated flowers, which 

released large quantities of pollen. The ovules exuded tiny droplets of sugary sap to catch passing pollen. Outline the course of events that 
probably took place between insects and flowers to result in the highly specialized interactions we see today. 

  2.  Over 200 wildlife species have been observed around prairie dog colonies in the Great Plains of the United States. The prairie dog, which burrows, 

background image

forages, and feeds in the area, acts as a keystone species. If the prairie dogs are destroyed, many other species will die as well. How do you think 
the activities of the prairie dogs influence the survival of so many other species?  

Testing Yourself 

Choose the best answer for each question. 

  1.  As diversity increases, 

 

a. species richness increases, and distribution of species becomes more even. 

 

b. species richness decreases, and distribution of species becomes more even. 

 

c. species richness increases, and distribution of species becomes less even. 

 

d. species richness decreases, and distribution of species becomes less even. 

  2.  Which is not a feature of an opportunistic pioneer species? 

 

a. long life span 

 

b. short time to maturity 

 

c. small size 

 

d. high reproductive output 

For statements 3-

–7, indicate the type of interaction described in each scenario. 

Key: 
 

a. competition 

 

b. predation 

 

c. parasitism 

 

d. commensalism 

 

e. mutualism 

  3.  An alfalfa plant gains fixed nitrogen from the bacterial species Rhizobium in its root system, while Rhizobium gains carbohydrates from the plant.  

  4.  Both foxes and coyotes in an area feed primarily on a limited supply of rabbits.  

  5. 

Roundworms establish a colony inside a cat’s digestive tract.  

  6.  A fungus captures nematodes as a food source.  

  7.  An orchid plant lives in the treetops, gaining access to sun and pollinators, but not harming the trees. 

  8.  The abundance of both species is expected to increase as a result of which type of interaction? 

 

a. predation 

d. competition 

 

b. commensalism 

e. parasitism  

 

c. mutualism 

  9.  According to the competitive exclusion principle, 

 

a. one species is always more competitive than another for a particular food source. 

 

b. competition excludes multiple species from using the same food source. 

 

c. no two species can occupy the same niche at the same time. 

 

d. competition limits the reproductive capacity of species. 

  10.  Fungi are examples of 

 

a. autotrophs. 

d. omnivores. 

 

b. herbivores. 

e. decomposers. 

 

c. carnivores. 

  11.  In the following diagram, fill in the components of chemical cycling and nutrient flow.  

  12.  An ecological pyramid depicts the amount of _________ in various trophic levels. 

 

a. food 

c. energy 

 

b. organisms 

d. nutrients  

  13.  Which of the following would be a primary consumer in a vegetable garden? 

 

a. aphid sucking sap from cucumber leaves 

 

b. lady beetle eating aphids 

 

c. songbird eating lady beetles 

 

d. fox eating songbirds 

 

e. All of these are correct. 

  14.  Detritus always contains 

 

a. bacteria and fungi. 

c. decaying logs. 

 

b. leaf litter. 

d. animal carcasses. 

  15.  Producers are  

 

a. autotrophs. 

d. carnivores. 

background image

 

b. herbivores. 

e. Both a and b are correct. 

 

c. omnivores. 

  16.  The first trophic level in a food web is occupied by the  

 

a. producers. 

 

b. primary consumers. 

 

c. secondary consumers. 

 

d. tertiary consumers. 

  17.  Which of the following represents a grazing food chain? 

 

a. leaves   detritus feeders   deer   owls 

 

b. birds   mice   snakes 

 

c. nuts   leaf-eating insects   chipmunks   hawks 

 

d. leaves   leaf-eating insects   mice   snakes 

  18.  In a grazing food web, carnivores that eat herbivores are 

 

a. producers. 

 

b. primary consumers. 

 

c. secondary consumers. 

 

d. tertiary consumers. 

  19.  Identify the components of the ecological pyramid in the following diagram.  

  20.  Minerals in rocks are considered members of this component of an ecosystem. 

 

a. exchange pool  

 

b. community 

 

c. reservoir 

 

d. More than one of these are correct. 

  21.  Which of the following is a sedimentary biogeochemical cycle? 

 

a. carbon 

 

b. nitrogen 

 

c. phosphorus 

  22.  Underground oil is an example of a carbon 

 

a. cycle. 

 

b. pathway. 

 

c. reservoir. 

 

d. exchange pool. 

For questions 23

–25, match the description to the process in the key. 

Key: 
 

a. nitrogen fixation 

 

b. nitrification 

 

c. denitrification 

  23.  Nitrate to nitrogen gas. 

  24.  Nitrogen gas to nitrate. 

  25.  Nitrogen gas to ammonium. 

  26.  Which of the following is not a component of the nitrogen cycle? 

 

a. proteins 

 

b. ammonium 

 

c. decomposers 

 

d. photosynthesis 

 

e. bacteria in root nodules 

  27.  Which biome is characterized by a coniferous forest with low average temperature and moderate rainfall? 

 

a. taiga 

 

b. savanna 

 

c. tundra 

 

d. tropical rain forest 

 

e. temperate forest  

  28.  Which biome has the lowest primary productivity? 

 

a. tundra 

 

b. lake 

 

c. sandy beach 

background image

 

d. prairie 

 

e. temperate forest 

For questions 29

–34, match the description to the biome in the key.  

Key: 
 

a. tundra 

 

b. taiga 

 

c. tropical rain forest 

 

d. temperate grassland 

 

e. tropical grassland 

 

f. desert 

  29.  Very cold northern coniferous forest. 

  30.  Prairie. 

  31.  Northernmost terrestrial ecosystem; persisting permafrost. 

  32.  Changeable temperatures with minimal rainfall; low primary productivity. 

  33.  Occurs near the equator; high temperatures, large amount of rainfall; high primary productivity. 

  34.  Savanna, alternating wet and dry seasons. 

For questions 35

–38, match the description to the type of aquatic ecosystem in the key.  

Key: 
 

a. ocean 

 

b. marshes 

 

c. rivers, lakes 

 

d. coral reefs 

  35.  Lie near the coast; high primary productivity. 

  36.  Lowest primary productivity. 

  37.  Freshwater ecosystems. 

  38.  Lie offshore; high primary productivity. 

Go to www.mhhe.com/maderessentials for more quiz questions. 

Bioethical Issue 

Many exotic species, such as zebra mussels and sea lampreys, are so obviously troublesome that most people do not object to programs aimed at 
controlling their populations. However, some exotic species eradication programs meet with more resistance. For example, the mute swan, one of the 
world

’s largest flying birds, is beautiful, graceful, and makes an impressive presence. However, it is very aggressive and territorial. The mute swan was 

introduced to the United States from Asia and Europe in the nineteenth century as an ornamental bird. The birds consume large amounts of aquatic 
vegetation and displace native birds from feeding and nesting areas. The U.S. Fish and Wildlife Service believes it will be necessary to kill 3,000 mute 
swans in Maryland in the next two years in order to protect native bird populations. Attempts to limit the size of the mute swan populations in Maryland and 
other states have been met with opposition by citizens who find the birds beautiful. 

Do you feel that native populations need not be protected as long as the exotic species serves a suitable human purpose? Or, do you feel that 

native species should be protected regardless? 

Understanding the Terms 

aquatic ecosystem•568 
biogeochemical cycle•564 
biomass•563 
biosphere•568 
character displacement •557 
climax community•554 
coevolution•552 
commensalism•556 
community•552 
competition•556 
competitive exclusion  
•principle•557 
consumer•560 
decomposer•560 
detrital food web•562 
detritus•560 

background image

diversity•553 
ecological niche•556 
ecological pyramid•563 
ecological succession•554 
ecosystem•552 
eutrophication•565 
exotic species•559 
food chain•563 
food web•562 
fossil fuel•567 
global warming•567 
grazing food web•562 
greenhouse effect•567 
habitat•556 
keystone species•558 
mutualism•556 
native species•559 
parasitism•556 
predation•556 
primary productivity•570 
primary succession•554 
producer•560 
resource partitioning•557 
secondary succession•554 
species richness•553 
terrestrial ecosystem•568 
transfer rate•565 
trophic level•563 
Match the terms to these definitions: 

a. _______________ 

Assemblage of populations of different species.  

b. _______________ 

Relationship in which one species obtains nutrients from another species but does not kill it.  

c. _______________ 

Combination of the role a species plays in its community, its habitat, and its interactions with other species.  

d. _______________ 

Tendency for characteristics to be more divergent when populations of different species belong to the same community than 

when they are isolated.  

e. _______________ 

One species in a community that stabilizes the community, helps maintain its characteristics, and helps hold the web of 

interactions together.  

f.  _______________ 

Remains of dead organisms plus the bacteria and fungi of decay.  

g. _______________ 

All the organisms that feed at a particular link in a food chain.  

h. _______________ 

Amount of a nutrient that moves from one component of the environment to another within a certain period of time.  

i.  _______________ 

All the ecosystems on planet Earth.  

 

Approximately 70% of the Earth is covered by water, but less than 1% of that water is drinkable. 

Too much of a nutrient such as nitrogen can harm an ecosystem. 

Figure 31.2•Community species composition.  

Communities differ in their species composition, as exemplified by the predominant plants and animals in (a) a coniferous forest and (b) a tropical rain forest. Some 

mammals found in coniferous forests and in tropical rain forests are listed. 

Figure 31.1•Coevolution.  

Flowers and pollinators have evolved to be suited to one another. a. Hummingbird pollinated flowers are usually red, a color that these birds can see, and the petals are 
recurved to allow the stamens to dust the birds’ heads. b. The reward offered by the flower is not always food. This orchid looks and smells like the female of this wasp’s 

species. The male tries to copulate with flower after flower and in the process transfers pollen. c. Bats are nocturnal, and the flowers they pollinate are white or 

light-colored making them visible in moonlight. The flowers smell like bats and are large and sturdy enabling them to withstand ins

ertion of the bat’s head as it uses its 

long, bristly tongue to lap up nectar and pollen. 

Check Your Progress 

 

1.  Describe what is meant by coevolution. 

 

2.   

background image

Contrast a community with an ecosystem. 

 

3.  Contrast species richness with diversity. 

 

4.  Contrast primary succession with secondary succession. 

Answers:•1. An evolutionary change in one species results in an evolutionary change in another species.•2. A community is a group of populations, while an ecosystem 
is all the species in a community interacting with each other and with the environment.•3. Species richness is the list of species in a community (species composition), 
while diversity encompasses both composition and the relative abundance of each species.•4. Primary succession occurs where soil has not yet been formed, while 
secondary succession occurs where soil is present.

 

Figure 31.5•Secondary succession. 

Secondary successional changes in a western Pennsylvania field from (a) first year, (b) second year, (c) fifth year, and (d) after twenty years. 

Figure 31.4•Primary and secondary succession.  

Primary succession begins on areas of bare rock. Secondary succession begins in areas where soil remains following natural or human-caused disturbance. 

Figure 31.8•Competitive exclusion principle demonstrated by Paramecium.  

The competitive exclusion principle states that no two species occupy the exact same niche. When grown separately, Paramecium caudatum and Paramecium aurelia 

exhibit logistic growth. When grown together, P. aurelia excludes P. caudatum

Data from G.F. Gause, The Struggle for Existance, 1934, Williams & Wilkins Company, Baltimore, MD. p. 557. 

Figure 31.9•Character displacement in finches on the Galápagos Islands. 

When G. fuliginosa, G. fortis, and G. magnirostris coexist on the same island, their beak sizes are appropriate for eating small-, medium-, and large-sized seeds, 

respectively. When G. fortis and G. fuliginosa are on separate islands, their beaks have the same intermediate size, which allows them to eat seeds of various sizes. 

Character displacement is evidence that resource partitioning has occurred.  

Figure 31.6•Niche of a backswimmer.  

Backswimmers require warm, clear pond water containing insects that they can eat and vegetation where they can hide from predators.  

Figure 31.7•Feeding niches for wading birds.  

Flamingos feed in deeper water by filter feeding; dabbling ducks feed in shallower areas by upending; avocets feed by sifting. Oystercatchers and plovers have 

adaptations for feeding in shallows, such as shorter legs. 

Check Your Progress 

 

1.  List the five major types of species interactions in a community. 

 

2.   

Distinguish between habitat and ecological niche. 

 

3.  Why is character displacement a form of resource partitioning? 

 

4.   

Describe the role of a keystone species. 

Answers:•1. Competition, predation, parasitism, commensalism, and mutualism.•2. A habitat is the special location of a species. It is one component of an ecological 
niche, which also includes the role the species plays in the community and its interactions with other species.•3. Due to character displacement, species are able to feed 
on different types of food.  
4. A keystone species stabilizes the community, helps maintain its characteristics, and helps hold the web of interactions together.

 

Figure 31.12•Exotic species.  

Human introduction of exotic species, such as (

a) the red fox and (b) the brown tree snake, have disrupted communities in Australia and Guam, respectively. 

Figure 31.10•Mutualism. 

The bullhorn acacia tree is adapted to provide nourishment for a mutualistic ant species. a. The thorns are hollow, and the ants live inside. b. The bases of the leaves 

have nectaries (openings) where ants can feed. c. The tips of the leaves of the bullhorn acacia have Beltian bodies, which ants harvest for larval food.  

Figure 31.11•Interpendence of species.  

Clark’s nutcrackers feed on the seeds of whitebark pines. But the storing of the seeds by the nutcrackers is the primary means of seed dispersal for whitebark pine.  
Figure 31.16•Chemical cycling and energy flow. 

Chemicals cycle within, but energy flows through, an ecosystem. As energy is repeatedly passed from one component to another, all the chemical energy derived from 

solar energy dissipates as heat. 

Figure 31.17•Energy balances. 

Only about 10% of the nutrients and energy taken in by a herbivore is passed on to carnivores. A large portion goes to detritus feeders. Another large portion is used for 

cellular respiration. 

background image

Figure 31.13•Producers. 

Green plants and algae are photoautotrophs. 

Figure 31.14•Consumers. 

a. Caterpillars and giraffes are herbivores. b. A praying mantis and an osprey are carnivores.  

Figure 31.15•Decomposers. 

Mushrooms and bacteria are decomposers.

 

Figure 31.20•Ecological pyramid. 

An ecological pyramid depicts the loss of nutrients and energy from one trophic level to the next.  

Figure 31.19•Food chain. 

A food chain diagrams a single path of energy flow in an ecosystem. 

Figure 31.18•Food webs. 

The grazing and detrital food webs of ecosystems are linked. 

Check Your Progress 

 

1.  Contrast the two types of autotrophs. 

 

2.   

Contrast herbivores with carnivores. 

 

3.  Contrast the first organisms in the grazing food web with those in the detrital food web. 

 

4.   

Contrast a food chain with an ecological pyramid. 

 

5.  Contrast a sedimentary biogeochemical cycle with a gaseous one. 

Answers:•1. Photoautotrophs use photosynthesis to produce organic nutrients, while chemoautotrophs use energy from inorganic compounds to produce organic 
nutrients.•2. Herbivores are animals that feed on autotrophs, while carnivores feed on other animals.•3. The first organisms in the grazing food web are herbivorous 
insects, while those in the detrital food web are bacteria and fungi.•4. A food chain depicts a single path of energy flow in an ecosystem, while an ecological pyramid 
depicts the entire flow of energy between trophic levels.•5. A sedimentary cycle involves the exchange of chemicals in the soil, while a gaseous cycle involves chemicals 
in the atmosphere.

 

Figure 31.22•The phosphorus cycle. 

The phosphorus cycle is a sedimentary biogeochemical cycle. Globally, phosphates flow into large bodies of water and become a part of sedimentary rocks. Thousands 

or millions of years later, the seafloor can rise; the phosphates are then exposed to weathering and become available. Locally, phosphates cycle within a community 

when plants on land and algae in the water take them up. Animals gain phosphates when they feed on plants or algae. Decomposers return phosphates to plants or 

algae, and the cycle within the community begins again.  

Figure 31.23•Lemmings. 

Lemmings, small furry rodents, feed on plant species in an Arctic community called the tundra.  

Figure 31.21•Model for chemical cycling. 

Chemical nutrients cycle between these components of ecosystems. Reservoirs, such as fossil fuels, minerals in rocks, and sediments in oceans, are normally relatively 

unavailable sources, but exchange pools, such as those in the atmosphere, soil, and water, are available sources of chemicals  for the biotic community. When human 

activities (purple arrows) remove chemicals from reservoirs and make them available to the biotic community, pollution can result. 

Check Your Progress 

 

1.  Describe how phosphate enters the phosphorus cycle. 

 

2.   

Describe the significance of nitrogen fixation and nitrification to the nitrogen cycle. 

 

3.  Describe the relationship between the greenhouse effect and global warming. 

Answers:•1. Most phosphate comes from decomposition of organisms, but some comes from weathering.•2. Both processes allow nitrogen to enter the nitrogen 
cycle.

3. The greenhouse effect (absorption of the sun’s rays) is believed to contribute to global warming (a rise in the temperature of the atmosphere).

 

Figure 31.26•The carbon cycle. 

The carbon cycle is a gaseous biogeochemical cycle. Producers take in carbon dioxide from the atmosphere and convert it to organic molecules that feed all organisms. 

Fossil fuels arise when organisms die but do not decompose. The burning of fossil fuels releases carbon dioxide and causes environmental pollution.  

background image

Figure 31.24•The nitrogen cycle. 

The nitrogen cycle is a gaseous biogeochemical cycle normally maintained by the work of several populations of soil bacteria.  

Check Your Progress 

 

1.  Describe the two major types of ecosystems of the biosphere. 

 

2.   

List the terrestrial ecosystems of the world. 

 

3.  Explain why swamps have higher levels of primary productivity than open oceans. 

Answers:•1. The biosphere is divided into aquatic ecosystems and terrestrial ecosystems.•2. Taiga, savanna, prairie, temperate forest, desert, tropical rain forest, and 
tundra.•3. Swamps have a more concentrated supply of nutrients.

 

Figure 31.28•The major terrestrial ecosystems. 

The tundra is the northernmost terrestrial ecosystem and has the lowest average temperature of all the terrestrial ecosystems, with minimal to moderate rainfall. The taiga, a 

coniferous forest that encircles the globe, also has a low average temperature, but moderate rainfall. Temperate forests have moderate temperatures and occur where 

rainfall is moderate, yet sufficient to support trees. A tropical grassland (savanna) has high temperatures and moderate/seasonal rainfall. A temperate grassland (prairie) has 

low to high temperatures, with low annual rainfall. Deserts have changeable temperatures with minimal rainfall. Tropical rain forests, which generally occur near the equator, 

have a high average temperature and the greatest amount of rainfall of all the terrestrial ecosystems. 

Figure 31.27•The major aquatic ecosystems. 

Aquatic ecosystems are divided into those that have salt water, such as the ocean (

a)

 

and those that have fresh water, such as a river (

b). Saltwater, or marine, 

ecosystems also include coral reefs (c) and marshes (d). 

Figure 31.29•Primary productivity. 

Ecologists can compare ecosystems based on primary productivity, the rate at which producers convert and store solar energy as chemical energy. 

 

Table 31.1 

Species Interactions 

 

Interaction 

Expected Outcome 

Competition (2•2) 

Abundance of both species 
decreases. 

Predation (1•2) 

Abundance of predator 
increases, and abundance of 
prey decreases. 

Parasitism (1•2) 

Abundance of parasite 
increases, and abundance of 
host decreases. 

Commensalism (1•0) 

Abundance of one species 
increases, and the other is not 
affected. 

Mutualism (1•1) 

Abundance of both species 
increases. 

 

a. During the first year, only the remains of corn plants are seen.  
b. During the second year, wild grasses have invaded the area. 
c. By the fifth year, the grasses look more mature, and sedges have joined them.  
d.  
After twenty years, the juniper trees are mature, and there are also birch and maple trees in addition to the blackberry shrubs. 
a. Herbivores 
b. Carnivores 

Figure 31.3•Climax communities.  

background image

Does succession in a particular area always lead to the same climax community? For example, temperate forests (a) only occur where there is adequate rainfall, and 

deserts (b) occur where rainfall is minimal. Even so, the exact same mix of plants and animals may not always arise because the assemblage of organisms depends on 

which organisms, by chance, migrate to the area. 

Figure 31.25•Root nodules. 

Bacteria that live in nodules on the roots of plants in the legume family, such as pea plants, convert nitrogen in the air to a form that plants can use to make proteins. 

Grassland (savanna) 
Tundra 
Tropical rain forest 

 

DesertTemperate forest 
 
Taiga 
Temperate grassland (prairie)